JP6819817B2 - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
図1は、第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の一例を模式的に示した断面図である。図1は、スピン軌道トルク型磁化回転素子をスピン軌道トルク配線50のy方向の中心を通るxz平面で切断した断面を示す。図1に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子101は、積層体10とスピン軌道トルク配線50とを備える。
本明細書において、スピン軌道トルク配線が延在する方向をx方向、積層体10の積層方向をz方向、x方向及びz方向に直交する方向をy方向という。
積層体10は、スピン軌道トルク配線50の厚み方向に積層されている。積層体10は、スピン軌道トルク配線50側から第1強磁性層11と、酸化物含有層12と、第2強磁性層13と、を備える。第1強磁性層11と第2強磁性層13とは、強磁性結合している。
第1強磁性層11及び第2強磁性層13には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を少なくとも1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feを例示できる。また第1強磁性層11が面内磁化膜の場合は、例えば、Co−Ho合金(CoHo2)、Sm−Fe合金(SmFe12)等を用いることができる。
酸化物含有層12は、第1強磁性層11と第2強磁性層13との間に位置している。
非特許文献3にも記載のように、強磁性層に酸化膜を隣接して配置すると、強磁性層のダンピング定数が大きくなる。第1強磁性層11及び第2強磁性層13のダンピング定数は、酸化物含有層12が第1強磁性層11と第2強磁性層13とのそれぞれに隣接していることで大きくなる。強磁性体の磁化は、歳差運動を行いながら磁化反転する。ダンピング定数が大きいと、磁化M11が磁化容易方向に向こうとする力が大きくなり、磁化反転を素早く行うことができる。
スピン軌道トルク配線50は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線50は、強磁性導電体層11aの一面に位置する。スピン軌道トルク配線50は、強磁性導電体層11aに直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
アニール処理としては、Arなどの不活性雰囲気中で、300℃以上500℃以下の温度で、5分以上100分以下の時間加熱した後、2kOe以上10kOe以下の磁場を印加した状態で、100℃以上500℃以下の温度で、1時間以上10時間以下の時間加熱することが好ましい。
拡散防止層14の膜厚は、0.3nm以上2.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
図3は、第2実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の好ましい例の断面模式図である。図3は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200のスピン軌道トルク配線50のy方向中心を通るxz平面で切断した断面である。図3に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200は、第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子101と、非磁性層20と、第3強磁性層30とを備える。第1実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子101と同等の構成については、同一の符号を付し説明を省略する。
第3強磁性層30の膜厚は、0.5nm以上5.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
例えば、非磁性層20が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、非磁性層20は、例えば、Al2O3、SiO2、MgO、及び、MgAl2O4等である。また、非磁性層20は、これらの他にも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換されたものも用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4は非磁性層20として用いるとコヒーレントトンネルが実現できるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層20が金属からなる場合、非磁性層20は、例えばCu、Au、Ag等である。さらに、非磁性層20が半導体からなる場合、非磁性層20は、例えばSi、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2などである。
非磁性層20の膜厚は、0.3nm以上3.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
図9は、磁気メモリ300の模式図である。磁気メモリ300は、第1実施形態のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200(図3参照)を複数備える。図3は、図9におけるA−A面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200を切断した断面図に対応する。図9に示す磁気メモリ300は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200が3×3のマトリックス配置をしている。図9は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子200の構成、数及び配置は任意である。
Claims (12)
- スピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に積層された積層体と、を備え、
前記積層体は、第1強磁性層と、酸化物含有層と、第2強磁性層と、を前記スピン軌道トルク配線側から順に備え、
前記酸化物含有層が非磁性元素の酸化物を含み、
前記酸化物含有層に含まれる前記酸化物は、化学量論組成に対して酸素が欠損しており、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とは、強磁性結合している、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - スピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に積層された積層体と、を備え、
前記積層体は、第1強磁性層と、酸化物含有層と、第2強磁性層と、を前記スピン軌道トルク配線側から順に備え、
前記酸化物含有層と、前記第2強磁性層と、の間に拡散防止層が挿入されており、
前記酸化物含有層が非磁性元素の酸化物からなり、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とは、強磁性結合している、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - スピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に積層された積層体と、を備え、
前記積層体は、第1強磁性層と、酸化物含有層と、第2強磁性層と、を前記スピン軌道トルク配線側から順に備え、
前記酸化物含有層が非磁性元素の酸化物からなり、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とは、強磁性結合しており、
前記第1強磁性層の膜厚が、前記第2強磁性層の膜厚より厚い、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 前記第1強磁性層の磁化容易軸は、前記スピン軌道トルク配線から前記第1強磁性層に注入されるスピンの向きと交差している、請求項1〜3のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記酸化物含有層に含まれる前記酸化物の前記非磁性元素は、Al、Si、Mg、Ti、Cr、Cu、Mo、Ru、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Biからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記酸化物含有層の膜厚が1.0nm以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記酸化物含有層に含まれる前記酸化物は、化学量論組成に対して酸素が欠損している、請求項2〜6のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記酸化物含有層と、前記第2強磁性層と、の間に拡散防止層が挿入されている、請求項1または請求項3〜7のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記第1強磁性層の膜厚が、前記第2強磁性層の膜厚より厚い、請求項1、2、4〜8のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記第2強磁性層が、Co、Fe、Bからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
前記積層体の前記スピン軌道トルク配線と反対側に積層された非磁性層と、
前記積層体と前記非磁性層を挟む第3強磁性層と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 請求項11に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。
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